一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置的制作方法

本实用新型属于太阳跟踪装置技术领域，涉及一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置。

背景技术：

太阳跟踪支架广泛应用于太阳能光伏和光聚热发电领域，其功能是通过调整跟踪支架的工作角度，使支架上安装的光伏电池板或者反光镜跟踪太阳的空间位置，达到最大化接收太阳辐射能量的目的。

为了实现对太阳位置的跟踪，通常采用电动机驱动太阳跟踪支架的机械机构，因此太阳跟踪支架都需要配备具有一定输出功率，能够驱动电动机的供电系统。为了在大风等异常情况下快速将跟踪支架复位，跟踪支架的动作角速度远大于太阳位置变化的角速度，支架最大动作速度通常是太阳运动速度的数十倍。因此正常工作时，跟踪支架按照角度允许误差设定范围而间歇动作。以南北轴式平单轴光伏跟踪支架为例，跟踪支架的动作速度为每分钟15度，太阳平均运行速度为每分钟0.25度，允许误差为±0.5度。则跟踪支架的动作规律为：平均4分钟动作一次，每次动作4秒。在间歇动作的情况下，依据支架跟踪角度精度和范围不同，通常光伏跟踪支架每日动作调整次数在50至200次之间，光热跟踪支架每日的调整次数可达500次以上。

太阳跟踪支架的供电通常有厂用电集中供电和光伏电池板就地自供电两种主要方式。厂用电集中供电需要在光伏或光热电站内敷设大量的供电电缆，因此施工复杂成本高。光伏电池板就地自供电也被简称为“自供电”。这种供电方式的具体做法是在跟踪支架控制器附近安装小型的独立光伏电池板，采用这个小型光伏电池板的电能输出为跟踪控制器提供驱动支架动作的电能。

太阳能光伏电池板获取的太阳能具有不稳定性，这种不稳定性表现为规律性不稳定和随机性不稳定，太阳每天东起西落运动。光伏电池板通常在中午时分发电量较高而早晚较低，造成了规律性的不稳定。同时云层遮挡和环境温度等天气因素影响还导致了光伏电池板发电量的随机不稳定。

为了解决太阳能电池板供电的稳定性问题，跟踪支架自供电系统还需要配备大容量的蓄电池装置，用于在小型光伏电池板输出电能不足时确保跟踪支架的正常跟踪以及异常情况下的回转复位。

采用输出不稳定的小型独立光伏电池板为跟踪支架控制系统供电，通常需要配备电池进行蓄能。但是跟踪支架频繁间歇动作的特点引起储能电池频繁充放电，由于电池充/放电工作状态切换次数较多，导致电池性能快速退化。为维持跟踪系统电气性能定期更换蓄电池又增加了太阳能电站的维护成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置，该装置能解决光伏电池板自供电太阳跟踪系统中蓄能电池频繁充放电导致的电池寿命快速衰减问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置，包括光伏电池，光伏电池输出的电能分别输送至跟踪支架控制器、电容管理电路及蓄电池管理电路，跟踪支架控制器分别连接电容管理电路、蓄电池管理电路、双电源切换器及电机驱动器，双电源切换器依次连接电机驱动器和电动机，电容管理电路为蓄能电容器供电，蓄电池管理电路为蓄电池供电。

本实用新型的特点还在于，

电机驱动器的内部包括由四个晶体管Q1、Q2、Q3、Q4构成的H桥电路，H桥电路用于驱动电动机的旋转。

跟踪支架控制器的工作电源同时连接光伏电池和蓄电池管理电路。

跟踪支架控制器的电源优先选用光伏电池的输出，当光伏电池的输出不足时，将跟踪支架控制器的电源切换至蓄电池管路电路，跟踪支架控制器利用蓄电池的电能工作。

跟踪支架控制器可通过连接至双电源切换器的控制信号控制电机驱动器的电能来源，将电机驱动器的工作电源分别切换至电容管理电路或者蓄电池管理电路，使得电动机根据不同工作需要切换工作电源。

本实用新型的有益效果是，本实用新型一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置，依据跟踪支架间歇短时动作的特点，采用独立光伏电池板为电容器小功率充电蓄能，大电流输出驱动电机动作，有效减少了光伏电池板的装机功率，降低了设备成本。间歇跟踪过程中蓄电池不参与供电，蓄电池只在偶尔需要支架长时间动作的工况下参与供电，因此显著降低了蓄电池的充/放电切换次数，有效延长了电池使用寿命降低了设备维护成本。

附图说明

图1是本实用新型一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置的结构示意图；

图2是本实用新型一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置中电容管理电路的结构示意图；

图3是本实用新型一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置中蓄电池管理电路的结构示意图。

图中，1.光伏电池，2.跟踪支架控制器，3.电容器管理电路，4.蓄电池管理电路，5.蓄能电容器，6.蓄电池，7.双电源切换器，8.电机驱动器，9.电动机，10.MPPT控制器，11.DC/DC控制器，12.一体式DC/DC控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置，如图1所示，包括光伏电池1，光伏电池1输出的电能分别输送至跟踪支架控制器2、电容管理电路3及蓄电池管理电路4，跟踪支架控制器2分别连接电容管理电路3、蓄电池管理电路4、双电源切换器7及电机驱动器8，双电源切换器7依次连接电机驱动器8和电动机9，电容管理电路3为蓄能电容器5供电，蓄电池管理电路4为蓄电池6供电。

光伏电池1获取不稳定太阳辐射输出电能后分别输送至电容器管理电路3和蓄电池管理电路4。跟踪支架控制器2同时连接至光伏电池板1和蓄电池管理电路4获取电能，跟踪直接控制器2优先使用光伏电池1输出的电能，当光伏电池1输出电能不足时，自动切换至蓄电池管理电路4内的蓄电池取电。

图1中实线代表能量流动，虚线代表控制信号连接。

跟踪支架控制器2是所有自动跟踪式光伏支架必须具备的一种控制装置，其核心是一个具有运算处理能力的微处理器，该处理器可以根据当前光伏跟踪支架目标角度和实际角度之间的偏差自动的发出指令控制电动机，并由电动机带动跟踪支架到达目标角度范围。同时借助跟踪支架控制器2的运算处理能力还可以实现类似电源管理、工作状态监测和安全保护等功能。

用于控制电源工作的跟踪支架控制器2可以单独设置控制用MCU(微控制器)，也可以与太阳位置跟踪的控制功能共用一个MCU(微控制器)。

本实例为了简化系统结构，采用跟踪支架控制器2内部处理器的检测与控制能力同时监控电容管理电路3和蓄电池管理电路4。跟踪支架控制器2可以通过连接至双电源切换器7的控制信号控制电机驱动器8的电能来源。

如图2、3所示，双电源切换器7内部包括S1和S2两个可控开关。当跟踪支架短时跟踪动作时双电源切换器7闭合开关S1，将电源切换至电容器管理电路3的输出，当跟踪支架长时间动作时，双电源切换器7闭合开关S2将电源切换至蓄电池管理电路4的输出。本实例的电机驱动器8采用由四个晶体管构成的H桥电路。双电源切换器7可以采用机械开关或者晶体管开关电路实现电源切换，也可以采用单向二极管的高电压选择功能实现电源切换。

本实用新型一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置中包括一个基于电容器的小容量储存子系统和一个基于蓄电池的大容量储存子系统，两个子系统协同工作构成一个混合蓄能供电装置。所供电能用于跟踪支架控制系统驱动支架电机完成跟踪功能。本实用新型的核心是跟踪支架的混合蓄能供电，因此本实施例仅讨论跟踪支架控制器控制电源的功能。其跟踪角度控制功能为常规方法此处不详述。

本实例中电动机9工作电压24V，额定电流4.5A，电气输入功率108W，最大启动电流13.5A。太阳能电池板采用20W规格，工作电压24V，额定电流835mA。由以上参数可见，电池板功率小于电机额定功率，约为20％。因此必须依靠蓄能才可驱动电动机9动作。

电容器管理电路实例

参见图2，蓄能电容器5由耐压5.5V容量12F的C1、C2、C3、C4共计4个超级电容器串联构成。单个电容器的内阻60mΩ，额定电流6.0A，最大工作电流20.0A，串联后蓄能电容器组的耐压为22V，内阻0.24Ω。

光伏电池1输出的电能送入电容器管理电路3，电容器管理电路3的核心功能是控制蓄能电容器5的充放电。电容器管理电路3包含MPPT和DC/DC两个电路模块，分别由MPPT控制器10和DC/DC控制器11以及外围电子元器件构成。其中MPPT是光伏电池最大功率跟踪的简称，DC/DC是直流-直流电压变换的简称。

充电时，光伏电池1的输出电能首先进入MPPT电路，该电路依据光伏电池板1在不同日照强度下，最大功率点均在额定电压附件的原理，通过分压电阻R1和R2检测电池板电压并输入MPPT控制器10，MPPT控制器10通过取样电阻R3检测电流，晶体管M1控制电流，构成闭环电流控制系统，实时控制电路从光伏电池1抽取的电流，实现光伏电池1的最大功率跟踪控制。

从MPPT电路输出的电能进入一个双向的DC/DC电路，所谓双向是指即可降压又可升压。充电时，在DC/DC控制器11的TDRV端口控制下，晶体管M2和电感L构成一个降压型Buck电路，电阻R11两端分别连接至CSP和CSN端口用于检测并控制蓄能电容器5的充电电流。通过控制蓄能电容器5的充电电流，实现DC/DC电路与MPPT电路之间的能量平衡。同时DC/DC控制器11通过R6，R7，R8和R9连接至内部均压电路，实现4个电容器工作电压和储能量的监控与均衡控制。R12和R13构成的分压网络将电容器组电压Vcap分压后输入VSP端用于检测蓄能电容器5的整体充电电压。通过记录蓄能电容器5的充电速度，DC/DC控制器11可以测量当前的太阳辐射能量。

在用电时，DC/DC电路中的的晶体管M2在TDRV端口控制下按二极管方式工作，晶体管M3在BDRV端信号控制下和电感L构成一个升压型Boost电路，抽取蓄能电容器5中存储的电能输出。R4和R5构成的分压网络将输出电压Vout分压后引入FB端口，用于实现输出电压的检测和控制。DC/DC电路可以在蓄能电容器5电压从22V下降至8V的过程中，输出电压稳定的24V直流电。

为了实现跟踪支架控制器2对电容器管理电路3的控制，DC/DC控制器11通过通信接口I2C连接至跟踪支架控制器2，接受跟踪支架控制器2的管理。

当正常跟踪工作中需要驱动电机9短时动作时，首先闭合双电源切换器7内部的开关S1，然后由跟踪支架控制器2通过电机驱动器8内部的四个晶体管Q1，Q2，Q3，Q4构成的H桥电路驱动电机9旋转，驱动过程使用PWM闭环方式控制驱电动机9的启动电流和工作电流，使其工作于电动机9额定值。

假设蓄能电容器5的整体容量为3.0法拉，充电至22.0V后，理论储能约726焦耳，放电至12V后剩余电能为216焦耳：

W＝1/2CU²＝0.5×3.0×22×22＝726焦耳。

W＝1/2CU²＝0.5×3.0×12×12＝216焦耳。

最大一次放电量为510焦耳＝726焦耳-216焦耳

输出能量为510焦耳，考虑电容内阻和晶体管压降，升压型DC/DC驱动电路效率计为85％，有效能量大于433焦耳，可以驱动功率108W电动机工作4秒以上。以末端驱动机构旋转速度15度/分钟的速度计算，4秒时间可驱动跟踪支架旋转1度以上。

采用20W光伏电池1，假定光伏电池1工作在额定状态，降压型DC/DC变换器转换效率90％，则蓄能电容器5从12V再次充电至22V需要567焦耳的能量，用时约29s可完成蓄能电容器5的再次充电。

根据跟踪速度的工艺要求，跟踪支架每4分钟(240秒)动作一次，每次动作4秒，支架旋转1度，然后充电29秒。则只需动作间隔29/240＝12.0％的时间即可完成对蓄能电容器5充电，也就是太阳辐射能量只要高于光伏电池1额定辐照值的12.0％，则跟踪支架即可通过蓄能电容器5蓄能，完整实现跟踪功能。

参见图3，本实例蓄电池6由B1至B8共计8节三元锂电池串联组成，单节电池电压范围3.2-3.7v，容量2.75AH，5C，内阻30mΩ，电池组最大工作电流可达13.75A。整个电池组的工作电压范围为25.6-29.6V。

蓄电池管理电路实例

光伏电池1输出的电能送入蓄电池管理电路4，蓄电池管理电路4由一体式DC/DC控制器12和外围电气元件构成，其核心功能是实现蓄电池6的充电蓄能。整个蓄电池管理电路4为Boost结构，一体式DC/DC控制器12通过DRV端口控制MOSFET管Q21，使其与电感L21和二极管D20构成Boost升压电路。充电过程中一体式DC/DC控制器12通过端口CSP和CSN检测取样电阻R28上的充电电流，实现对蓄电池6的恒流充电。电路通过分压电阻R27和R26将蓄电池6的端电压输入至一体式DC/DC控制器12的FB反馈测量端，在蓄电池6快充满时实现对蓄电池6的恒压充电。当蓄电池6电压上升至预设的29.6V时，一体式DC/DC控制器12停止工作，充电过程结束。

为了实现蓄电池管理电路4与跟踪支架控制器2之间的信号连接，一体式DC/DC控制器12可以通过SHDN端口接收来自跟踪支架控制器2的启动和停止命令。当SHDN端口为低电平时给蓄电池6充电，当SHDN端口为高电平时蓄电池6停止充电。在蓄电池6充电过程中一体式DC/DC控制器12的CHRG端为低电平，当充电至预设的29.6V电压时CHRG端输出高电平，告知跟踪支架控制器2，蓄电池6已充电至满电状态。

充电工作过程中，一体式DC/DC控制器12通过取样电阻R25检测Q21上流过的电感电流，并通过R24和C22构成的滤波电路后输入一体式DC/DC控制器12，实现对电感工作电流的检测和保护。

当光照强度不足时光伏电池1的输出能量不足，无法按预设额定电流向电容器组提供电能。一体式DC/DC控制器12通过取样电阻网络R21和R22将光伏电池1的电压状态通过MPPT端口输入，当能量不足光伏电池1电压低于额定值24V时，一体式DC/DC控制器12自动调整充电电流设定值，降低实际充电电流数值，实现光伏电池1功率的最大功率跟踪，简称MPPT控制。

在图3中，从蓄电池管理电路4中连接蓄电池6的端口分支一路电源向跟踪支架控制器2提供后备工作电源，跟踪支架控制器2也可从此工作电源的电压获取电池的当前电量信息。

当跟踪支架需要超过4秒的连续动作时，跟踪支架控制器2可以闭合双电源切换器7中的开关S2，然后启动电机驱动器8对电动机9进行驱动。本实施实例中电容管理电路3和蓄电池管理电路4公用H桥型直流电机驱动器8，其内含PWM型降压驱动功能，可将25.6-29.6V的电池端电压降压至24V输出，其最大启动工作电流>15A，额定工作电流>4.5A。

在蓄电池6满电状态下，容量2.75AH的电池组，可以驱动108W额定电流4.5A的电动机9运行36分钟，假定跟踪支架每分钟旋转15度，最大跟踪偏转角60度，则用时4分钟即可以将电池板从最大可能的偏转角度复位至水平安全抗风位置。也就是说只需使用电池满电量约11.1％的能量，跟踪支架即可从最大的跟踪角度返回水平抗风状态。

在本实施实例中，当24V电压20W光伏电池1工作在额定状态时，将2.75AH，25.6-29.6V的电池充满大约需要4小时，即使同时为蓄能电容器5提供电能，一个阳光晴好的白天，光伏电池1也可完成蓄电池6的满充任务。

工作模式实施例

在本实施实例中，跟踪支架控制器2通过控制信号调度电容器管理电路3和蓄电池管理电路4，使系统分别工作于“日常工作模式”、“蓄电池充电模式”和“保护模式”，具体控制逻辑如下：

日常工作模式

初始启动后如果蓄电池6的电量大于20％时，跟踪支架控制器2停止一体式DC/DC控制器12工作，此时蓄电池6只放电不充电，系统进入日常工作模式。

日常工作模式下，光照强度可以满足4分钟内将蓄能电容器5由12V再次充电至22V，则跟踪支架控制器2正常完成追日控制工作，按本实例电气参数，此时辐照度大于额定值12％以上即可，多余太阳辐射能以发热的形式耗散。

日常工作模式下，当光照强度较低，不能在4分钟内完成电容器放电后的再次充电，则跟踪支架控制器2将利用蓄电池6的能量将跟踪支架复位至安全的水平状态并停止，等待太阳辐照度上升至额度值15％以上再开始工作。

蓄电池充电模式

当蓄电池6的电量小于20％且辐照强度大于额定值的15％时，跟踪支架控制器2将启动一体式DC/DC控制器12为蓄电池6充电，系统工作于蓄电池充电模式。跟踪支架控制器2通过设定电容器管理电路3中DC/DC控制器11的最大工作电流，保证4分钟内完成电容器的再次充电，多余的电量将向蓄电池6充电。当蓄电池6达到最大充电电压29.6V后充电模式结束，系统切换为日常工作模式。充电模式中光照不足时系统保留充电模式，停止跟踪支架动作，只在发生大风复位条件时利用蓄电池电能复位支架至水平位置。

保护模式

为确保安全，当蓄电池6的电量小于15％，完成一次大风复位动作存在风险时，混合蓄能供电系统进入保护模式。此时跟踪支架控制器2控制电容管理电路3停止为蓄能电容器5充电，同时跟踪支架停止正常跟踪动作。光伏电池1获取的全部电能都用于为蓄电池6充电，使蓄电池6储电容量大于20％后退出保护模式，直接进入蓄电池6充电模式。在保护模式，系统只在发生大风复位条件时，利用蓄电池6的能量尽可能将跟踪支架向风阻较低的水平方向旋转，除此之外不进行电机的驱动动作。

如此工作的优势时可以大幅度减少蓄电池6的充放电循环次数，提高蓄电池6的使用寿命，减少设备维护。

本实用新型中，如果不考虑异常工况下的紧急返回操作，不需要基于蓄电池的长时间避险驱动功能，也可以单独使用电容蓄能管理电路实现跟踪电机驱动。

光伏电池1可以独立设置也可以借用光伏发电系统的电池板，当只要光伏电池1的额定输出功率小于电动机9的额定功率，需要采用本实用新型中混合蓄能供电装置进行驱动。

本实用新型一种太阳跟踪支架的混合蓄能供电装置的特点为，通过将电容蓄能与电池蓄能相结合的方式构成混合蓄能供电装置。在跟踪支架短时间歇跟踪过程中采用充放电循环次数几乎不受限的电容器蓄能提供电机短时动作所需的电能，在跟踪支架“跟踪返回”、“抗风复位”和“紧急脱离”等需要长时间动作的工况下采用蓄电池提供驱动电机所需电能。采用充放电循环次数不受限制的电容器对光伏电池板输出进行蓄能并驱动电机，解决了蓄电池频繁充放电导致的寿命缩短问题。

本实用新型同时采用大容量蓄电池对光伏电池板输出进行蓄能，在跟踪支架紧急抗风等偶发工况下由蓄电池输出电能驱动电机，弥补了电容器蓄电容量小不能长时间提供电能的问题。

此外，本实用新型结合了电容充放电循环次数多和蓄电池储能容量大的优势，构成了结合两种蓄能方式优点的混合蓄能供电装置，减小了光伏电池板的容量需求，延长了自供电装置的平均无故障工作时间，降低了跟踪支架维护成本。